JP2002131426A - 超音波センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波により、反射物体の距離及び正確
な方位だけでなく、反射物体の形状や材質等に関する情
報も得ることのできる、構成が簡単かつコンパクトな超
音波センサ装置を実現する。 【解決手段】 タイマ回路９によって、超音波送信器
４で送信された超音波が、反射物体で反射されて超音波
受信器５で受信されるまでの超音波の往復伝播時間を測
定するとともに、反射強度測定回路１２で、反射された
超音波の強度を測定し、これらの測定結果に基づいて情
報処理装置３によって、反射物体７の距離及び正確な方
位だけでなく、反射物体７の形状等に関する情報を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波センサ装置
に関し、特に移動ロボットによる環境確認、あるいは固
定型センサによる侵入者の検知等のために、対象とする
物体（反射物体）までの距離及び方向のみならず、その
反射物体の形状もしくは材質等に関する有用な情報を得
ることのできる超音波センサ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、反射物体までの超音波の往復伝播
時間を測定することにより超音波を反射する環境中の対
象物体（以下、「反射物体」という。）までの距離を測
定する超音波センサ距離測定装置は知られている。

【０００３】さらに、超音波受信器を複数並列し、１カ
所から超音波を反射物体に発し、その反射波を複数並列
した超音波受信器で夫々検出し、夫々の検出のタイミン
グのずれで反射物体の距離だけでなく、方位をも検出す
る技術は知られている。

【０００４】ところで、従来、反射物体の形状や種別等
（例えば、人であるか車であるか等）等に関する情報を
得ることはきわめて難しく、その反射物体の多面につい
て、あるいは、その反射物体に対して多方向の位置に設
置された複数の超音波受信器により、反射物体の多面、
あるいは多方向からの多数の距離データを得て、それら
から総合的に割り出すことなどが必要であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の手段によると、反射物体の多面について、あ
るいは、多方向から複数の超音波受信器で検出しなくて
はならないから、システムとして複雑、高価となり実用
に供し得るものではないという問題があった。

【０００６】本発明は、このような従来の問題を解決す
ることを目的とするものであり、超音波により、反射物
体の距離及び正確な方位だけでなく、反射物体の形状や
種別等に関する情報も得ることのできる、構成が簡単か
つコンパクトな超音波センサ装置を実現するものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、超音波送信部と並設された複数の超音波受
信部と情報処理装置とを有し、反射物体までの距離及び
方位を計測する超音波センサ装置であって、上記超音波
受信部は、超音波受信器及び超音波受信回路を有し、上
記超音波受信回路は、増幅器回路と、該増幅器回路に夫
々接続された時間測定回路及び反射強度測定回路とを備
えており、上記時間測定回路は、上記超音波送信器で送
信された超音波が、反射物体で反射されて超音波受信器
で受信されるまでの超音波の往復伝播時間を測定するも
のであり、上記反射強度測定回路は、上記反射された超
音波の強度を測定することを特徴とする超音波センサ装
置を提供する。

【０００８】上記情報処理装置は、上記時間測定回路で
測定された上記往復伝播時間及び上記反射強度測定回路
で計測された超音波波の強度に基づいて、上記反射物体
までの距離及び方位を算出するとともに、反射物体の形
状もしくは材質に関する情報を得ることを可能とする。

【０００９】上記超音波センサ装置において、上記超音
波受信回路に含まれる増幅器回路の出力が、直接、上記
情報処理装置に導かれる構成を有し、上記時間測定回路
と上記反射強度測定回路の、一方又は両方が行う夫々の
機能を、上記情報処理装置内に記憶されたプログラムに
基づき制御装置が代わりに行う構成としてもよい。

【００１０】さらに、本発明は上記課題を解決するため
に、同時に円周方向に向けて広範囲に超音波を発射する
超音波送信部、及び、円形支持体の周囲に複数並設され
た超音波受信器と、上記複数の超音波受信器の夫々に接
続される複数の受信回路と、情報処理装置とを有してな
る超音波センサ測定装置であって、上記超音波受信回路
は、増幅回路と、該増幅回路に夫々接続された時間測定
回路とを備えており、上記時間測定回路は、上記超音波
送信器で送信された超音波が、反射物体で反射されて超
音波受信器で受信されるまでの超音波の往復伝播時間を
測定するものであり、上記情報処理装置は、上記複数の
超音波受信器の中で反射された超音波を検知する超音波
受信の数をもって反射物体からの反射強度を算出するこ
とを特徴とする超音波センサ装置を提供する。

【００１１】上記情報処理装置は、上記時間測定回路で
測定された上記往復伝播時間及び上記反射強度に基づい
て、上記反射物体までの距離及び方位を算出するととも
に、反射物体の形状もしくは材質に関する情報を得るも
のである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明に係る超音波センサ装置の
実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明す
る。

【００１３】本発明の特徴的な構成は、複数並列された
超音波センサが、反射物体の方位及び距離測定機能だけ
でなく、反射物体で反射された超音波（以下、「反射
波」という。）の強度を測定する機能も具備することに
より、反射物体からの反射波を検出する際に、その強度
を同時に計測し、反射物体の方位、距離及び形状等の情
報を同時に得ることができるようにした構成である。

【００１４】即ち、反射波の強度は、反射物体の形状等
で大きな影響を受ける。従って、反射波の強度の情報を
得ることにより、反射物体の形状もしくは材質を認識
し、判別できる。本発明者は、この点に着目し、超音波
センサを複数並列して、夫々が反射物体からの反射波を
受けその距離、方位を検出するとともに、反射波の強度
を検出することにより反射物体をより明確に認識できる
ようにするものである。

【００１５】図１は、本発明に係る超音波センサ装置の
実施例１を説明する図である。実施例１の超音波センサ
装置１は、図１（ａ）に示すように、超音波送信部２’
と、一直線上に配列された複数の超音波受信部２と、情
報処理装置（コンピュータ）３とから構成される。

【００１６】図１（ｂ）は、超音波送信部２’と、超音
波受信部２の構成を示す図である。超音波送信部２’
は、主に超音波パルス送波回路８と超音波送信器４によ
り構成され、超音波受信部２は、超音波受信器５及び超
音波受信回路とから構成されている。このような構成の
超音波受信部２が、図１（ａ）に示すように複数設けら
れている。

【００１７】超音波送信器５は、超音波パルス送波回路
８に取り付けられている。この超音波パルス送波回路８
は、情報処理装置３から発信される超音波送信信号によ
り超音波パルスを発生する回路であり、超音波パルス送
波回路８で発生した超音波パルスを超音波送信器４で反
射物体７等が存在する外部の環境に送信（発射）する。

【００１８】超音波受信回路６は、タイマ回路９、増幅
器回路１０、スレッショルド回路（スレッショホールド
回路）１１、反射強度測定回路１２等から構成されてい
る。情報処理装置３から発信された超音波送信信号は、
タイマ回路９にも入力するように情報処理装置３に接続
されている。情報処理装置３は、プログラムを記憶する
記憶装置及びＣＰＵ（制御装置）等を備えたコンピュー
タである。

【００１９】タイマー回路９は、情報処理装置３に接続
され、さらにクロックジェネレータ１３とスレッショル
ド回路１１に接続されており、時間測定回路を構成して
いる。そして、タイマー回路９は、情報処理装置３から
超音波送信信号を入力するとタイマ動作（クロックジェ
ネレータからのクロックパルスをカウントする時間計測
動作）を開始し、スレッショルド回路１１からの信号入
力があると、タイマ動作を停止し時間測定を行い、この
結果を情報処理装置３に出力するような構成となってい
る。

【００２０】一方、超音波受信器５は、増幅器回路１０
を介してスレッショルド回路１１の入力側に接続されて
いる。このスレッショルド回路１１は、その出力側がタ
イマ回路９に接続されている。これにより、後述するよ
うに超音波送信器４で送信された超音波が、反射物体７
で反射されて超音波受信器５で受信されるまでの超音波
の往復伝播時間をカウントし、情報処理装置３にその往
復伝播時間に係る時間測定信号を入力するように接続さ
れている。

【００２１】さらに、超音波受信器５は、増幅器回路１
０を介して反射強度測定回路１２に接続されており、さ
らに反射強度測定回路１２は、情報処理装置３に接続さ
れている。

【００２２】なお、以上の超音波センサ装置１におい
て、超音波受信回路６に含まれる増幅器回路１０の出力
が、直接、情報処理装置３に導かれる構成を有し、タイ
マ回路９と反射強度測定回路１２の、一方又は両方が行
う夫々の機能を、情報処理装置３内において、記憶され
たプログラムに基づいて制御装置（ＣＰＵ）が代わりに
行う構成としてもよい。

【００２３】以上の構成から成る超音波センサ装置の作
用を説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示す超音波センサ
装置１において、情報処理装置３から発信された超音波
発信信号が、超音波パルス送波回路８に入力すると、超
音波パルスが超音波送信器４から超音波として外部に送
信される。同時に超音波発信信号は、タイマ回路９にも
入力しタイマ動作を開始させる。

【００２４】そして、送信された超音波は反射物体１４
で反射され、この反射波が複数の超音波受信器５で受信
される。受信信号は増幅器回路１０で増幅されて、その
出力は、スレッショルド回路１１及び反射強度測定回路
１２に入力する。

【００２５】増幅器回路１０で増幅されてスレッショル
ド回路１１に入力した受信信号は、スレッショルド回路
１１において予め設定された閾値以上の大きさである
と、受信信号をタイマ回路９に出力し、タイマ回路９の
タイマ動作を停止する。これにより、このタイマ動作の
開始から停止までの時間、即ち超音波が送信されてから
受信されるまでの往復伝播時間が計測され、この計測さ
れた往復伝播時間に係る時間測定信号が情報処理装置３
に送られる。

【００２６】反射強度測定回路１２は、増幅された受信
信号の強度レベルを計測し、この計測で得られた反射波
の強度に係る反射強度信号が処理装置３に入力される。
反射強度測定回路１２は、通常の超音波強度測定を行う
回路を利用すればよい。

【００２７】このようにして、複数の超音波受信部２か
ら、反射波の往復伝播時間に係る時間測定信号及び反射
強度信号が情報処理装置３に入力される。そして、情報
処理装置３では、複数の超音波受信部２から送られてく
る反射波の往復伝播時間に係る時間測定信号に基づい
て、反射物体７までの距離及び方位が計算される。さら
に複数の超音波受信部２から送られてくる反射波の強度
情報から物体の形状、材質等の情報が得られる。

【００２８】以上の実施例１では、超音波受信部におい
て増幅器回路の出力がシュレッショルド回路を介してタ
イマ回路と反射強度測定回路に導かれる構成となってい
るが、反射強度測定回路がシュレショルド回路の後に接
続され、反射波の強度を反射波の接続時間すなわち増幅
回器回路の出力信号がスレショルドを越える時間を測る
ことによって測定する方式をとるものも実施可能であ
り、それが本発明に含まれることは言うまでももない。

【００２９】（実施例２）図２は、本発明に係る超音波
センサ装置の実施例２を説明する図である。この実施例
例２の超音波センサ装置１４は、例えば、ロボットの全
周方向に存在する反射物体７までの距離、方位を短時間
に精度良く求めることができ、しかも反射波の強度も併
せて計測することができる全方向型（又はリング型）の
超音波センサ装置である点を特徴とする。

【００３０】この実施例２の、超音波センサ装置１４で
は、図２（ａ）に示すとおり、超音波送信部が複数の超
音波送信器１５より構成され、それらの複数の超音波送
信器１５と複数の超音波受信器１６とが、同じ円筒状の
支持璧１７の外周部の円周上に交互に配設されている。
この実施例２の超音波センサ装置１４の特徴は、複数の
起音波送信器１５により円周方向に広く超音波が送信さ
れること、及び、複数の超音波受信器はその指向領域が
いくつも重なるように円周上に並べられていることであ
る。

【００３１】複数の超音波送信器１５は、図３（ａ）に
示すように、多チャンネル超音波パルス送波回路１９に
接続されている。多チャンネル超音波パルス送波回路１
９は、複数の超音波送信器１５の数に対応したチャンネ
ル数を有し、情報処理装置１８からの発信される超音波
送信信号に基づき、複数の超音波発信器１５の夫々に同
時に多チャンネルを通して超音波パルスを送り、これに
より複数の超音波送信器１５は、同時に超音波を周囲に
放射状に送信する構成となっている。

【００３２】なお、図３（ｂ）は、超音波パルス送波回
路２０（図３（ｂ）中では単に「送波回路」として示さ
れている。）を各超音波送信器１５毎に設けた例を示
す。

【００３３】図２（ｂ）は、複数の超音波受信器１６に
夫々接続された計測部（超音波受信回路）２１を示す図
である。計測部２１は、増幅器回路２２と、この増幅器
回路２２に夫々接続されたスレショルド回路２３と、タ
イマ回路２４とから構成される。

【００３４】図２（ｂ）、図３において、タイマ回路２
４は、クロックジェネレータ２５に接続されており、情
報処理装置１８から発信された時間計測開始信号が入力
される。さらに、反射物体７からの反射波を超音波受信
器１６で受信し、この超音波受信信号を増幅器回路２２
及びスレショルド回路２３を介して入力すると、タイマ
回路２４はその時間計測を停止し、往復伝播時間を計測
することが可能である。この往復伝播時間に係る時間測
定信号は情報処理装置１８に送られる。

【００３５】この実施例２の超音波センサ装置１４の作
用を説明する。図３（ａ）において、情報処理装置１８
から発信された超音波発信信号が多チャンネル超音波パ
ルス送波回路１９に入力すると、全ての超音波発信器１
５に超音波パルスを送り、複数の超音波発信器１５が二
次元放射状に同時に超音波を送信（発射）する。

【００３６】情報処理装置１８から発信された超音波発
信信号が多チャンネル超音波パルス送波回路１９に入力
すると同時に、超音波発信信号は、計測部２１のタイマ
回路２４に入力され、タイマ回路２４のタイマ動作を開
始する。

【００３７】複数の超音波送信器１５から同時に二次元
放射状に送波された超音波は、周囲の反射物体７で反射
され、円周上に配列された複数の超音波受信器１６で受
信される。ここで重要なことは、実施例２の超音波セン
サ装置１４は、複数の超音波送信器１５から同時に超音
波が送信されるため、円周上に向かって送波された超音
波が伝搬し、しかも一つの物体から反射された反射波
を、複数の受信器１６で同時に受信する点である。

【００３８】これを図４で説明する。図４は、複数の超
音波送信器１５から同時に二次元放射状に送信された超
音波が、超音波反射物体７Ａ、７Ｂ、７Ｃで反射され、
その反射波が円周上配列された複数の超音波受信器で夫
々受信した超音波信号を経時的に示した図である。

【００３９】例えば、図４中、左端の超音波受信器１６
−１は、反射物体７Ｃのみからしか反射波を受信してい
ないが、中央部の超音波受信器１６−２は、反射物体７
Ａ、７Ｂ、７Ｃの全てから反射波を受信している。

【００４０】ところで、円周上に配列された複数の超音
波送信器１５から同時に送信された超音波が反射物体７
Ａ、７Ｂ、７Ｃで反射され、この反射波を複数の超音波
受信器１６で同時に重複的に受信しているが、実際は反
射物体７Ａ、７Ｂ、７Ｃの超音波センサ７からの距離は
異なるから、図４に示すように、一つの超音波受信器１
６で受信する反射波は、反射物体７Ａ、７Ｂ、７Ｃから
の反射波毎に時間的にずれて受信し、その超音波受信信
号は時間的にずれて、計測部２１で処理される。

【００４１】受信信号は、受信回路の増幅器回路２２で
増幅され、スレショルド回路２３を介してタイマ回路２
４に入力されるとタイマ回路のタイマ動作２４が停止す
る。これによって、超音波が超音波送信器１５から送信
され、反射物体７で反射されその反射波を受信するまで
の超音波の往復伝播時間が計測される。

【００４２】このようにして計測された複数の超音波受
信器１６に夫々接続された計測部２１で計測された全て
の往復伝播時間に係る時間測定信号は、情報処理装置１
８に入力される。

【００４３】これにより、全ての超音波受信器１６は、
反射物体７Ａ、７Ｂ、７Ｃの夫々で反射された反射波に
ついて、時間的ずれをもって、反射波の往復伝播時間に
係る時間測定信号を情報処理装置１８に入力することが
できる。

【００４４】この情報処理装置１８では、複数の超音波
受信器１６で受信し、計測部２１で計測された往復伝播
時間に基づいて、反射物体７Ａ、７Ｂ、７Ｃ夫々の距離
を算出するとともに、同じ反射物体７からの往復伝播時
間の差により反射点の方位を精度良く算出することがで
きる。これにより、３６０度放射状全方向に存在する反
射物体７について、その距離、方位について精度の良い
計測が一回の送受信で、高速、短時間に計測が可能とな
り、環境中の複数の反射物体７Ａ、７Ｂ、７Ｃを同時に
求めることができる。

【００４５】実施例２は、このような全方向型の超音波
センサ装置７をまず前提としており、さらにきわめて独
創的な構成は、次の点である。即ち、実施例２の超音波
センサ装置１４は、反射物体７の反射波を、円周上に配
列した複数の超音波受信器１６によりを受信していると
いう構成上の特徴を活かして、反射物体７からの超音波
反射強度を、きわめて簡単な原理で計測可能とする点で
ある。

【００４６】この方法は、通常利用される超音波受信器
が、その正面方向からの超音波に対しては感度が高く、
斜め方向に向かうにつれて超音波を受波する感度が低く
なる、という物理的性質を有することを利用している。
この原理を図５で説明すると、例えば反射物体７’が図
５（ａ）に示すような形状で、反射物体７’による反射
波ｗの強度が大きいときには、円周上に配列されたより
広範囲に設けられた超音波受信器１６、例えば反射物体
７’の直近の超音波受信器１６−２から両側方向に離れ
た受波器の向きの正面に反射物体がない超音波受信器１
６−１、１６−３でも反射波を検知することができる。

【００４７】しかしながら、例えば反射物体７”が図５
（ｂ）に示すような形状で、反射物体７による反射波
ｗ’の強度が小さいときには、超音波受信器１６−１、
１６−３では受信される反射波の強度がきわめて小さい
ためこれを検知することができない。要するに、反射物
体７”の直近の超音波受信器１６−２から両側方向に狭
い範囲に設けられた超音波受信器１６でしか検知するこ
とができない。

【００４８】従って、反射波を検知した超音波受信器１
６の数を情報処理装置１８においてカウントすれば、反
射物体７’、７”からの反射波の強度を計測できること
となる。この場合、反射波がきわめて小さい時には、予
め設定した閾値を越えないと増幅器回路２２から出力さ
れないようにする構成を採用するとよい。このように、
予め設定した閾値を設けて検知の有無を判別すると、ノ
イズ的な検出信号を除いてより確実な反射波の強度計測
値を得ることが可能となる。

【００４９】このような原理からすると、円周上に配列
する超音波受信器１６の数を多くする程、反射波の強度
をよりきめ細かく計測できる。

【００５０】以上から、実施例２によれば、放射状全方
向に存在する反射物体７について、その距離、方位とと
もにその反射波の強度を一回の送受信で、高速、短時間
に計測が可能となる。この結果、反射波の強度により、
その物体の方位や距離だけでなく、その形状等も把握で
きる。

【００５１】以上、本発明に係る超音波センサ装置の実
施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特に
このような実施例に限定されることなく、特許請求の範
囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例がある
ことはいうまでもない。

【００５２】

【発明の効果】本発明に係る超音波センサ装置は、上記
のような構成であるから、超音波により、反射物体の距
離及び正確な方位だけでなく、計測された反射波の強度
に基づき、反射物体の形状、種別等の情報も得る応用技
術に展開可能であり、実施例２のような全方向型の超音
波センサ装置の構成を採用すれば、構成が簡単かつコン
パクトとなり、ロボットのセンサとしてもきわめて有用
かつ安価である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の超音波センサ装置の全体構
成を説明する図である。

【図２】本発明の実施例２の超音波センサ装置の構成を
説明する図である。

【図３】本発明の実施例２の要部の構成を説明する図で
ある。

【図４】本発明の実施例２の作用を説明する図である。

【図５】本発明の実施例２の作用を説明する図である。

【符号の説明】

１、１４ 超音波センサ装置 ２ 超音波受信部 ２’ 超音波発信部 ３、１８ 情報処理装置 ４、１５ 超音波送信器 ５、１６、２６ 超音波受信器 ６ 超音波受信回路 ７ 反射物体 ８ 超音波パルス送波回路 ９、２４ タイマ回路 １０、２２ 増幅器回路 １１、２３ スレッショルド回路 １２ 反射強度測定回路 １３、２５ クロックジェネレータ １７ 円筒状の支持壁 １９ 多チャンネル超音波パルス送波回路 ２０ 超音波パルス送波回路 ２１ 計測部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 油田 信一 茨城県つくば市上の室662番地２ (72)発明者 丹後 修一 神奈川県藤沢市片瀬目白山２番７号 Ｆターム(参考） 5J083 AA02 AC29 AD04 AD13 AD17 AE06 AE08 AF14 BA01 BE18 CA03 CA11

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波送信部と、並設された複数の超
   音波受信部と、情報処理装置を有し、反射物体までの距
   離と方位を計測する超音波センサ装置であって、 上記超音波受信部は、超音波受信器と超音波受信回路を
   有し、 上記超音波受信回路は、増幅器回路と、該増幅器回路に
   夫々接続された時間測定回路及び反射強度測定回路とを
   備えており、 上記時間測定回路は、上記超音波送信部から送信された
   超音波が、反射物体で反射されて超音波受信器で受信さ
   れるまでの超音波の往復伝播時間を測定するものであ
   り、 上記反射強度測定回路は、上記反射された超音波の強度
   を測定するものであることを特徴とする超音波センサ装
   置。
2. 【請求項２】 上記情報処理装置は、上記時間測定回
   路で測定された上記往復伝播時間に基づいて上記反射物
   体までの距離及び方位を算出するとともに、上記反射強
   度測定回路で計測された超音波の強度に基づいて、上記
   反射物体の材質もしくは形状に関する情報を得ることを
   可能とすることを特徴とする請求項１記載の超音波セン
   サ装置。
3. 【請求項３】 上記超音波受信回路に含まれる増幅器
   回路の出力が、直接、上記情報処理装置に導かれる構成
   を有し、上記時間測定回路と上記反射強度測定回路の、
   一方又は両方が行う夫々の機能が、上記情報処理装置内
   において、記憶されたプログラムに基づいて、代わりに
   行こなわれることを特徴する請求項１又は２記載の超音
   波センサ装置。
4. 【請求項４】 一個もしくは複数の超音波送信器によ
   り同時に円周方向の広い範囲に向けて超音波を発射する
   超音波送信部と、円形支持体の周囲に複数並設された超
   音波受信器と、上記複数の超音波受信器に各々接続され
   る複数の受信回路と、情報処理装置とを有してなる超音
   波センサ測定装置であって、 上記超音波受信回路は、増幅回路と、該増幅回路に夫々
   接続された時間測定回路とを備えており、 上記時間測定回路は、上記超音波送信器で送信された超
   音波が、反射物体で反射されて超音波受信器で受信され
   るまでの超音波の往復伝播時間を測定するものであり、 上記情報処理装置は、上記複数の超音波受信器の中で反
   射された超音波を検知する超音波受信器の数をもって反
   射物体からの反射強度を算出することを特徴とする超音
   波センサ装置。
5. 【請求項５】 上記情報処理装置は、上記時間測定回
   路で測定された上記往復伝播時間に基づいて、上記反射
   物体までの距離及び方位を算出するとともに、上記反射
   強度に基づいて、上記反射物体の形状もしくは材質に関
   する情報を得ることを特徴とする請求項４記載の超音波
   センサ装置。